謝家林，管 鮑，張文健

（1.中國(guó)人民解放軍68006部隊(duì)，銀川 750000；2.海能達(dá)通信股份有限公司，南京 210012）

1 引言

軍隊(duì)的常規(guī)訓(xùn)練和演習(xí)任務(wù)越來(lái)越趨近實(shí)戰(zhàn)化，實(shí)戰(zhàn)化任務(wù)中的語(yǔ)音、視頻以及其他各種數(shù)據(jù)交互頻繁、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高，對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線通信保障的要求也越來(lái)越高。大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性的無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)是可視化指揮調(diào)度和后勤保障的基礎(chǔ)。因此，復(fù)雜環(huán)境下無(wú)線視頻監(jiān)控技術(shù)和系統(tǒng)一直都是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的民用無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)不同，訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)的無(wú)線視頻監(jiān)控具有如下特點(diǎn)：一是業(yè)務(wù)需求：訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)的監(jiān)控點(diǎn)較多，視頻回傳的路數(shù)較多，要求系統(tǒng)具有較大的上行傳輸容量和較高的實(shí)時(shí)性；二是覆蓋需求：訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)地形復(fù)雜，應(yīng)用場(chǎng)景多樣，包括平原、山區(qū)、丘陵等多種地域以及隧道、叢林等不規(guī)則場(chǎng)景，要求系統(tǒng)具備較強(qiáng)的覆蓋能力以及較為靈活的組網(wǎng)能力；三是頻譜需求：訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)的電磁環(huán)境復(fù)雜，不同系統(tǒng)之間的干擾司空見(jiàn)慣，各種無(wú)線傳輸系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)寬帶無(wú)線傳輸系統(tǒng)提出了較高的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)存在以下幾種主要的解決方案：一是早期的微波圖傳系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用模擬技術(shù)，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)健，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向回傳為主，符合視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，但是系統(tǒng)的頻譜效率太低，所需工作帶寬較大，抗干擾能力較差，已經(jīng)不適合當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境下的大容量視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)；二是傳統(tǒng)的COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，編碼正交頻分復(fù)用）圖傳系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用數(shù)字技術(shù)和OFDM調(diào)制技術(shù)，相對(duì)模擬調(diào)制能夠明顯提升頻譜，效率，但是更多應(yīng)用在自組網(wǎng)模式下，缺乏蜂窩組網(wǎng)和跨區(qū)切換的能力，多跳模式下有效吞吐率嚴(yán)重受限，而且與主流的3GPP技術(shù)體制差異較大，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和完善的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)演進(jìn)相對(duì)困難，也不適合當(dāng)前以及未來(lái)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的要求；三是4G LTE專(zhuān)網(wǎng)：該系統(tǒng)采用3GPP標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟，但是主要以下行業(yè)務(wù)為主，上行回傳能力較弱，應(yīng)用于大容量視頻回傳業(yè)務(wù)時(shí)需要較寬的頻譜資源，抗干擾能力不足；蜂窩組網(wǎng)能夠提升系統(tǒng)容量，但是缺乏自組網(wǎng)的靈活性；此外，該系統(tǒng)還要承擔(dān)戰(zhàn)場(chǎng)導(dǎo)調(diào)業(yè)務(wù)，導(dǎo)調(diào)業(yè)務(wù)具有用戶容量大，上、下行業(yè)務(wù)容量相對(duì)均衡的特點(diǎn)，因此在同一張網(wǎng)絡(luò)下很難再兼顧無(wú)線視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。未來(lái)5G系統(tǒng)主要還是部署在高頻段，也很難適應(yīng)廣覆蓋的要求，但是5G中的一些先進(jìn)技術(shù)還是能夠應(yīng)用到訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)之中。

面對(duì)新形勢(shì)下實(shí)戰(zhàn)化軍事訓(xùn)練和演習(xí)任務(wù)的要求，需要利用業(yè)界最新的技術(shù)，積極探索新的無(wú)線視頻監(jiān)控方案，研制適合實(shí)戰(zhàn)需求的訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2 無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)上述訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線視頻監(jiān)控的特點(diǎn)，一方面要保證系統(tǒng)的上行回傳容量，另一方面又要保證系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性，我們建議新的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，新的系統(tǒng)在蜂窩接入層下增加了ProSe（Proximity Service，鄰近接入）層。ProSe是3GPP針對(duì)公共安全等業(yè)務(wù)特點(diǎn)在R12版本中新增的功能，并且在后續(xù)版本中不斷完善，已經(jīng)成為5G系統(tǒng)的主要功能之一。利用D2D和自組網(wǎng)技術(shù)，ProSe支持寬帶終端的脫網(wǎng)直通、自組網(wǎng)以及多跳橋接等功能，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用，能夠方便地對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)盲或者臨時(shí)的覆蓋延伸，避免新增基站的麻煩，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和性價(jià)比。

圖1 新一代無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

蜂窩接入層和ProSe層可以采用同頻或者異頻兩種配置方式。同頻配置方式比較復(fù)雜，需要兩層子網(wǎng)之間時(shí)間同步、幀同步，而且需要協(xié)商好帶內(nèi)空口資源的分配。異頻配置方式則相對(duì)簡(jiǎn)單，蜂窩層需要保證系統(tǒng)整體的傳輸容量，因此分配較多且固定的頻譜資源，ProSe層一般臨時(shí)使用，傳輸容量相對(duì)較小，可以使用較少且零散的應(yīng)急頻譜。針對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)的實(shí)際情況，建議初期采用異頻配置方式，隨著技術(shù)的演進(jìn)，逐步支持同頻配置方式。

新一代無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠較好地兼顧系統(tǒng)容量和靈活覆蓋，訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)大部分區(qū)域通過(guò)蜂窩模式覆蓋，確保系統(tǒng)容量滿足業(yè)務(wù)需求，蜂窩小區(qū)很難覆蓋的盲區(qū)，或者覆蓋成本較高的區(qū)域，可以采用ProSe模式進(jìn)行延伸覆蓋，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)靈活性，節(jié)約成本。

3 無(wú)線視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

在新一代無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)的實(shí)戰(zhàn)需求，一些關(guān)鍵的技術(shù)和功能需要重點(diǎn)考慮。

3.1 上行調(diào)制方式

4G LTE系統(tǒng)下行采用OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，正交頻分復(fù)用多址）調(diào)制方式，上行則采用SCFDMA（Single Carrier Frequency Division Multiplexing Access，單載波頻分復(fù)用多址）調(diào)制方式。上行采用單載波調(diào)制方式主要是為了降低終端的功耗，延長(zhǎng)終端待機(jī)時(shí)間，但同時(shí)也犧牲了無(wú)線鏈路的性能。單載波調(diào)制方式要求終端的資源分配必須是連續(xù)的，即連續(xù)的若干個(gè)子載波，而且信息比特會(huì)調(diào)制到所有的子載波上，當(dāng)任何一個(gè)子載波由于多徑衰落而被影響的時(shí)候，理論上會(huì)對(duì)所有的信息比特都產(chǎn)生影響，從而降低信道解碼的糾錯(cuò)性能。圖2是兩種調(diào)制方式在典型衰落信道下的性能對(duì)比，理論上SCFDMA調(diào)制方式會(huì)有3dB的鏈路性能損失。

圖2 OFDMA和SC-FDMA的性能對(duì)比

另一方面，SC-FDMA調(diào)制方式無(wú)法進(jìn)行顆粒度更細(xì)的頻選調(diào)度，因此對(duì)于帶內(nèi)的窄帶干擾抑制就沒(méi)有OFDMA調(diào)制方便，后者支持非連續(xù)資源分配，通過(guò)小顆粒度的頻選調(diào)度方法就可以較為容易的避開(kāi)窄帶干擾。在5G新空口標(biāo)準(zhǔn)中，上行鏈路增加了OFDMA調(diào)制方式，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，提供了增強(qiáng)上行性能的途徑。由于訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對(duì)上行鏈路的性能、容量以及抗干擾能力都具有較高的要求，因此我們建議新系統(tǒng)中的上行鏈路可以按照5G標(biāo)準(zhǔn)增加OFDMA調(diào)制方式，根據(jù)具體情況可以靈活選擇不同的調(diào)制方式。

3.2 降低峰均比技術(shù)

如前所述，如果上行鏈路采用OFDMA調(diào)制方式，需要采用相應(yīng)的技術(shù)降低峰均比，從而降低終端設(shè)備的整體功耗。

簡(jiǎn)單的方法是直接在終端設(shè)備上采用下行鏈路的CFR（Crest Factor Reduction，波峰因子降低）技術(shù)，在2K子載波的配置下，可以將峰均比控制在7dB左右，這種方式對(duì)于車(chē)載大功率終端或者CPE設(shè)備是比較適用的。對(duì)于手持類(lèi)的終端，需要在終端芯片內(nèi)增加CFR功能，或者外置一個(gè)專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)CFR功能。CFR功能相對(duì)成熟，實(shí)現(xiàn)難度并不大，關(guān)鍵是要對(duì)現(xiàn)有終端架構(gòu)進(jìn)行一定的調(diào)整。

3.3 抗干擾技術(shù)

在訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)實(shí)戰(zhàn)任務(wù)中，各種設(shè)備種類(lèi)繁多，電磁環(huán)境尤為復(fù)雜，很難找到完全沒(méi)有干擾的頻段使用。對(duì)于各種系統(tǒng)，需要提前劃分好工作頻段，盡量避免相互干擾，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還是要求無(wú)線通信系統(tǒng)能夠具備以下的一些抗干擾能力：

（1）動(dòng)態(tài)頻譜掃描和頻點(diǎn)配置。通信終端應(yīng)具備實(shí)時(shí)掃描電磁環(huán)境的能力，并且將掃描結(jié)果上報(bào)給網(wǎng)管，由網(wǎng)管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境動(dòng)態(tài)決定工作頻點(diǎn)，并通知基站和終端進(jìn)行相應(yīng)頻點(diǎn)的配置，盡可能避開(kāi)較強(qiáng)的干擾。

（2）頻率選擇性調(diào)度。即使系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)配置頻點(diǎn)，避開(kāi)較強(qiáng)的干擾，但是在工作頻段內(nèi)仍然會(huì)存在一些窄帶干擾。對(duì)于這些帶內(nèi)的窄帶干擾，可以通過(guò)頻率選擇調(diào)度算法進(jìn)行規(guī)避，對(duì)存在干擾的子載波不進(jìn)行調(diào)度，采用5G新波形對(duì)存在干擾的子載波進(jìn)行濾波，進(jìn)一步減小窄帶信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾。OFDMA調(diào)制方式支持離散的子載波調(diào)度，頻選調(diào)度的顆粒度會(huì)更小，相比SC-FDMA調(diào)制方式，更容易通過(guò)頻選調(diào)度的方法來(lái)規(guī)避窄帶的干擾，保證空口資源的利用率，如圖3所示。

圖3 頻選調(diào)度靈活性比較

（3）大功率終端。增加發(fā)射功率是抵抗干擾最直接的方法，大功率終端設(shè)備在抗干擾領(lǐng)域的重要性不言而喻。但是，并不是所有的終端，任何時(shí)刻都需要發(fā)射大功率，因此建議對(duì)于車(chē)載、機(jī)載類(lèi)型終端，可以考慮采用外置功放，當(dāng)存在干擾的時(shí)候，臨時(shí)使用外置功放增加原有終端的發(fā)射功率，從而提升終端側(cè)的抗干擾能力。

此外，還有一些常用的抗干擾技術(shù)，比如擴(kuò)頻技術(shù)，跳頻技術(shù)等，也可以與上述的一些功能配合使用。

3.4 上行容量增強(qiáng)技術(shù)

20MHz TD-LTE系統(tǒng)的上行平均吞吐率一般為20Mb/s左右，頻譜效率只有1b/s/Hz。對(duì)于訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)多點(diǎn)、高清視頻回傳業(yè)務(wù)，這個(gè)頻譜效率略顯不足，考慮在移動(dòng)環(huán)境下的多徑衰落影響，或者較為復(fù)雜的電磁環(huán)境下的干擾，TD-LTE系統(tǒng)的實(shí)際回傳容量還會(huì)進(jìn)一步降低。因此，在新的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中考慮如何進(jìn)一步提升回傳容量和能力是非常有必要的。

（1）增加幀結(jié)構(gòu)的靈活性。在現(xiàn)有TD-LTE幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，新增一些上下行子幀配比模式，進(jìn)一步提升上行子幀在空口資源中的占比，增加系統(tǒng)的回傳容量。進(jìn)而，遵循5G軟件定義空口的思想，采用新波形增強(qiáng)子載波間隔、傳輸帶寬等空口波形參數(shù)配置的靈活性，從而適應(yīng)不同業(yè)務(wù)和場(chǎng)景的需求，兼顧傳輸能力和覆蓋距離。（2）上行MIMO技術(shù)。MIMO技術(shù)能夠有效提升傳輸容量，但是在空間復(fù)用模式下，一般都要求天線之間通過(guò)一定的空間距離或者極化模式保持無(wú)線信道之間的正交。手持設(shè)備不太適合配置上行MIMO功能，特別是低頻段應(yīng)用中，但是對(duì)于車(chē)載、機(jī)載以及CPE等大功率終端設(shè)備是可以配置MIMO功能，提升上行回傳容量的。考慮到覆蓋的要求，訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用1GHz以下的低頻段，因此建議單個(gè)終端最多配置2根天線，節(jié)省天線安裝的空間。另外，對(duì)于相對(duì)固定安裝的CPE設(shè)備，可以考慮采用虛擬MUMIMO的方式，進(jìn)一步提升系統(tǒng)回傳的頻譜效率。

3.5 自組網(wǎng)技術(shù)

ProSe功能能夠顯著提升新的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)靈活性，擴(kuò)展實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景。作為ProSe功能的關(guān)鍵技術(shù)，寬帶自組網(wǎng)技術(shù)具有非常重要的地位。自組網(wǎng)技術(shù)起源于軍事戰(zhàn)術(shù)通信應(yīng)用，2000年轉(zhuǎn)為民用之后，一直缺少統(tǒng)一的技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)，至到2013年，3GPP為了滿足公共安全等行業(yè)的特殊需求，在R12版本中開(kāi)始增加寬帶終端直通功能，定義了sidelink空口規(guī)范，并且在后續(xù)的版本中不斷完善規(guī)范，擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景。

Sidel in k空口規(guī)范定義了寬帶自組網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)、物理信道與信號(hào)，以及同步、接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)然镜牧鞒蹋瑢?duì)終端之間的相互發(fā)現(xiàn)、同步、功率控制等關(guān)鍵技術(shù)給出了明確的指導(dǎo)建議，有力地促進(jìn)了3GPP技術(shù)體制的寬帶自組網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3GPP技術(shù)體制的自組網(wǎng)產(chǎn)品能夠非常方便地與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相互融合，能夠靈活擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，適應(yīng)更多的非規(guī)則應(yīng)用場(chǎng)景，在脫網(wǎng)的情況下，終端之間能夠自組成網(wǎng)，提升系統(tǒng)的健壯性。

3.6 無(wú)線視頻傳輸跨層優(yōu)化

無(wú)線空口資源是有限的，在無(wú)線回傳能力受限的情況下，需要將信源編碼技術(shù)與無(wú)線信道傳輸技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提升業(yè)務(wù)的容量和質(zhì)量。

對(duì)于無(wú)線視頻傳輸業(yè)務(wù)，視頻編碼的參數(shù)需要自適應(yīng)于無(wú)線信道的實(shí)際狀況，編碼的策略需要綜合考慮每路視頻承載的優(yōu)先級(jí)和QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）等因素。具體而言，無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要具備以下機(jī)制。

（1）端到端的QoS保障機(jī)制。當(dāng)多路視頻業(yè)務(wù)并發(fā)的時(shí)候，系統(tǒng)能夠?yàn)槊柯芬曨l建立獨(dú)立的業(yè)務(wù)承載，每個(gè)業(yè)務(wù)承載能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型、用戶優(yōu)先級(jí)等因素配置不同的QoS等級(jí)，實(shí)現(xiàn)差異化的質(zhì)量保障。QoS等級(jí)的定義最好能夠遵循3GPP的規(guī)范，便于和其他3GPP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互聯(lián)互通。端到端的QoS機(jī)制對(duì)于系統(tǒng)的資源調(diào)度算法要求較高，實(shí)際調(diào)度的時(shí)候，需要綜合考慮流量、時(shí)延以及誤碼率等多方面的因素，確保業(yè)務(wù)質(zhì)量能夠得到保障。

（2）信源、信道聯(lián)合編碼機(jī)制。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)每個(gè)視頻監(jiān)控終端的無(wú)線回傳容量，并且將預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)提交給視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)服務(wù)臺(tái)。服務(wù)臺(tái)根據(jù)這些預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合視頻業(yè)務(wù)的QoS，實(shí)時(shí)調(diào)整監(jiān)控終端的視頻編碼參數(shù)，適配無(wú)線信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)。這種信源、信道聯(lián)合編碼機(jī)制能夠有效地避免系統(tǒng)性業(yè)務(wù)擁塞的問(wèn)題，即信道質(zhì)量較差的終端搶占了大部分系統(tǒng)資源，從而造成信道質(zhì)量較好的其它終端業(yè)務(wù)受到影響。

4 總結(jié)和展望

軍事訓(xùn)練和演習(xí)任務(wù)越來(lái)越趨近實(shí)戰(zhàn)化，作為最直接的態(tài)勢(shì)信息，現(xiàn)場(chǎng)視頻信息需要及時(shí)回傳到指揮中心，供調(diào)度決策。現(xiàn)有的一些無(wú)線視頻回傳技術(shù)和方案很難滿足訓(xùn)練場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的大容量視頻回傳業(yè)務(wù)，必須采用新的技術(shù)和方案來(lái)滿足當(dāng)前以及未來(lái)訓(xùn)練場(chǎng)視頻回傳業(yè)務(wù)的需求。

為了兼顧系統(tǒng)容量和組網(wǎng)的靈活性，新的無(wú)線視頻回傳系統(tǒng)應(yīng)該在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上增加自組網(wǎng)的功能，即3GPP定義的ProSe功能。在新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，需要從多方面考慮如何提升上行鏈路的質(zhì)量、傳輸能力和抗干擾能力，通過(guò)自組網(wǎng)技術(shù)提升系統(tǒng)的組網(wǎng)靈活性，適應(yīng)不同的場(chǎng)景需求，在無(wú)線傳輸容量受限的情況下，通過(guò)聯(lián)合信源、信道編碼技術(shù)進(jìn)一步提升系統(tǒng)業(yè)務(wù)的容量和質(zhì)量。新系統(tǒng)的技術(shù)體制需要遵循3GPP主流技術(shù)體制，從而共享成熟的產(chǎn)業(yè)資源。

下一步工作將對(duì)本文提出系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證新的無(wú)線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)在復(fù)雜訓(xùn)練場(chǎng)環(huán)境下的實(shí)戰(zhàn)效果，從而逐漸完善整個(gè)系統(tǒng)和方案，為當(dāng)前以及未來(lái)訓(xùn)練場(chǎng)信息化建設(shè)提供更加可信的指導(dǎo)。